基于碳中和的公路隧道光环境评价及优化方法

摘要：文章对公路隧道主要安全隐患进行了分析总结，在交通事故特性分析的基础上，结合“碳中和”目标，从驾驶人视觉需求出发，提出基于路权、人因、驾驶任务的公路隧道光环境评价体系。同时，根据隧道不同区域的环境特点、驾驶人的驾驶特点及疲劳特征，结合运营养护、照明、及诱导等需求，提出针对公路隧道光环境的优化升级方案，在确保地下道路交通安全性的同时提高节能性。

关键词：碳中和；公路隧道；光环境；交通安全

中图分类号：U453.7    文献标识码：A

文意编号：1673-4874（2024）04-0190-02

0 引言

公路隧道是一种修筑在地下供汽车行驶的通道，其能突破山川、水域等地理条件对交通的限制，改善隧道两侧的交通格局，降低运输成本，极大地促进交通效率。随着我国经济快速发展以及基建能力的稳步提升，我国的公路隧道建设总量和规模持续增大。截至2020年，我国公路隧道数量为21 316处，隧道建设总长度达到2 199.93×104 m，已成为了公路隧道大国与公路隧道强国。伴随着公路隧道里程的增加，隧道能耗问题也逐渐显现［1］。公路隧道位于地下，这意味着公路隧道无法受到太阳光照，为保障驾驶人、行人的照明需求，绝大部分公路隧道都需要采用人工照明［2］。当前，公路隧道耗电量巨大，不仅带来了较大的经济负担，同时对环境保护造成了不利影响。煤炭发电一直以来是我国主要能源消费，占我国发电量的59%。在考虑“碳中和”的情况下，对公路隧道光环境进行评价并优化，不仅可以有效提升公路隧道交通安全，还可以实现公路隧道的节能减排，有力促进“碳中和”目标的实现。

对于公路隧道光环境评价与优化，有许多学者进行了研究。吴小丽等［3］通过对光源色温改变、彩色灯光带、LED点光源像素矩阵、高清图像投影等特殊光环境方案进行对比试验，建立起了隧道内视觉环境与驾驶人视觉行为特征及生理反应的联系。徐萌等［4］分析了彩色灯光视觉调节对长隧道驾驶催眠缓解作用，研究发现红色特殊色彩灯光带能够在保证视觉舒适性的同时给驾驶人提供视觉刺激，起到视觉警示作用，缓解隧道催眠现象。朱合华等［5］综合色温对驾驶人生理、心理的影响，提出了城市隧道不同照明段灯具色温的建议值，以期促进城市隧道的照明安全与节能。阎莹等［6］研究发现隧道群路段驾驶人瞳孔面积与环境光照度呈指数变化关系，上游隧道出口视觉明适应水平及连接段长度是影响下游隧道及整个隧道群路段视觉适应的主要因素。

当前的研究多集中在分析隧道不良光环境对驾驶人生理及心理的影响，对隧道光环境的研究主要集中在理论层面，并未给出一个全面而系统的公路隧道光环境评价标准，也未给出解决公路隧道光环境问题的优化方案［7］。因此本文基于碳中和，对公路隧道空间路权、驾驶人因及驾驶任务进行分析，对公路隧道驾驶人视觉需求分析及视觉参照系进行分类［8］，建立起涵盖交通效率、交通安全、碳排放的公路隧道光环境评价标准并给出了相应的优化方案［9］。

1 主要问题与改善思路

公路隧道光环境是一个复杂的系统工程，涵盖了地下工程、人体生理学、人机工程学等诸多方面［10］。相关研究表明，公路隧道光照亮度和交通安全以及交通效率并没有线性关系，反而公路隧道过度照明会造成驾驶人“炫目”感，加剧驾驶人的疲劳感，使得驾驶人更容易紧张。此外，公路隧道光环境缺少或设置不当也是当前存在的问题，这不仅仅造成了能源的浪费，也对公路隧道交通安全造成了不利影响。因此，本研究基于“碳中和”，以改善地下通道光环境的目标出发，以驾驶人视觉为参量，对公路隧道光环境进行评价并优化，提升地下通道交通安全性以及通行效率，并有效降低地下通道能源消耗。

本研究将解决以下两个问题：

（1）理论上，在交通事故特性分析与“碳中和”的基础上从驾驶人视觉需求出发，提出基于路权、人因、驾驶任务的公路隧道光环境评价体系，为公路隧道光环境优化提供依据［11］。

（2）技术上，根据隧道不同区域的环境特点、驾驶人的驾驶特点及疲劳特征，结合运营养护需求、照明及诱导等技术发展需求，提出针对性的公路隧道光环境优化升级方案（图1），在确保公路隧道交通安全性的同时提高地下道路节能性［12］。

公路隧道出口段亮度和视觉参照变化剧烈，加之交通流量大，极易发生超速现象和撞侧壁事故；隧道中部环境单调、路面与侧壁对比度低，易出现路权不明、驾驶疲劳，造成驾驶人对于车速、车距、坡度等感知失误或分心、疏忽等不良驾驶行为，故公路隧道光环境优化应重构视觉参照系，提升公路隧道光环境［13-14］。对于公路隧道光环境优化，主要包括4个部分，如图2所示。

2 改善建议

2.1 公路隧道设施（照明、交通工程设施）碳足迹分析，减少能源消耗

公路隧道的设施主要为照明设备与安全设置，当前的照明设备主要为各种灯泡、灯管。安全设置多为一些电子产品（电子显示屏、摄像头、声音播放装置等）以及玻璃产品。通过对地下道路设施的生产、包装、运输、生命周期使用、报废处理等各个环节的碳足迹分析，可得出公路隧道设施的能源消耗情况，并将当前的公路隧道设施与拟优化的道路设施进行能耗对比。

2.2 公路隧道光环境评价，提高交通效率、交通安全、碳排放等综合指标

空间路权包括横向路权、竖向路权、纵向路权，构成了行车道的基本功能，如图3所示。驾驶人因主要包括视距、视区、视错觉（速度错觉、距离错觉、方向错觉等）［15］。驾驶任务主要包括车速控制、车道及车距保持，驾驶人因及驾驶任务构成了交通安全评价的基本要素［16］。

基于线性诱导原理的公路隧道视线诱导系统，综合利用点、线、环等局部视觉参照元素，对公路隧道轮廓及线形进行组合诱导设计，从空间路权、驾驶人因、驾驶任务三方面进行综合考虑，改善公路隧道光环境整体视觉参照系，从交通效率、交通安全、碳排放等综合指标对公路隧道光环境进行评价［17］。如图4所示。

2.3 使用低碳、全寿命周期更长的材料及方法

从事故预防的角度出发，全面考虑驾驶人行车安全需求，基于线性诱导原理对公路隧道交通安全设施优化设计［18］。通过合理设置交通设施，如视线诱导设施、照明灯具、景观装饰等，重构隧道视觉参照系，以改善隧道视觉参照系；并基于运营养护需求、照明、诱导等技术发展需求，结合驾驶人的视觉需求分析，提高公路隧道通行效率。通过碳足迹分析，比较线形诱导系统与普通照明系统的节能效果；利用钢化玻璃产品替换普通易碎玻璃，利用长寿命节能灯替换普通白炽灯，利用交通零能耗的诱导标志代替部分电子屏、语音装置，采取低碳全寿命周期更长的材料及方法减碳。

2.4 高中低频诱导信息相结合重构地下道路视觉参照系

公路隧道主要可以分为出入口与内部两部分。基于用路人在公路隧道不同路段存在不同的环境特点，结合用路人的视觉需求，对不同区段用路人的视觉需求进行分析并提出具体的光环境改善方法［19］。采用高中低频诱导信息丰富隧道视觉参照系，同时采用不同尺寸与不同色彩信息，即高频小尺度、中频中尺度与低频大尺度组合，从而合理控制驾驶人视错觉，辅助驾驶人判断车速、车距和坡度等驾驶信息。通过低能耗或零能耗的线性诱导装置代替部分灯光照明，实现节能减排。

3 结语

（1）公路隧道光环境缺少或设置不当是当前存在较多的问题，这不仅仅造成了能源的浪费，也对地下通道交通安全造成了不利影响。

（2）基于线性诱导原理的公路隧道视线诱导系统，综合利用点、线、环等局部视觉参照元素，对公路隧道轮廓及线形进行组合诱导设计，公路隧道设计从空间路权、驾驶人因、驾驶任务三方面进行综合考虑，可以有效改善公路隧道光环境整体视觉参照系，提高交通效率、保障交通安全，降低碳排放。

（3）采用高中低频诱导信息丰富公路隧道视觉参照系，同时采用不同尺寸与不同色彩信息，即高频小尺度、中频中尺度与低频大尺度组合，从而合理控制驾驶人视错觉，辅助驾驶人判断车速、车距和坡度等驾驶信息。

参考文献

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作者简介：韦逸清（1993—），工程师，主要从事高速公路建设管理工作。